DE69401965T2 - Overload protection of a switching power supply - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltbetriebs-Leistungswandler bzw. -Stromrichter (switch mode power converter), der eine Eingangsstufe mit einer Eingangsspannungsquelle, einem Schaltkreis zur Kopplung der Eingangsspannungsquelle mit einer Ausgangsstufe und eine Überlastschutzschaltung umfaßt und in der Ausgangsstufe einen Induktor aufweist, der mit einem Lastkreis in Serie geschaltet ist, um ein Steuersignal zum Steuern des Schaltkreises zu erzeugen, um das Auftreten eines Überlast-Zustands zu verhindern.The present invention relates to a switch mode power converter comprising an input stage with an input voltage source, a circuit for coupling the input voltage source to an output stage and an overload protection circuit, and having an inductor in the output stage connected in series with a load circuit to generate a control signal for controlling the circuit to prevent the occurrence of an overload condition.
Ein herkömmliches Verfahren zum Schutz von Schaltbetriebs- Leistungswandlern gegen Überlast- oder Kurzschlußzustände besteht darin, den Netzschalter des Wandlers auf Aus zu schalten, wenn der Netzschalterstrom einen vorgegebenen Wert überschreitet. Theoretisch schränkt diese Vorgehensweise den Ausgangsstrom auf einen für den Wandler sicheren Wert ein. Darüber hinaus sorgt das auf der Abtastung des Netzschalterstroms basierende Steuerungsverfahren für eine im wesentlichen schnelle Reaktionszeit.A conventional method of protecting switched-mode power converters against overload or short-circuit conditions is to turn the converter's power switch off when the power switch current exceeds a predetermined value. In theory, this approach limits the output current to a level that is safe for the converter. In addition, the control method based on sensing the power switch current provides a substantially fast response time.
Aufgrund praxisbedingter Einschränkungen reicht jedoch die Abtastung des Netzschalterstroms alleine möglicherweise nicht zum Schutz vor Überlast aus. Geht man von Idealbedingungen aus, so begrenzt das oben beschriebene Verfahren den Spitzenstrom im Netzschalter auf einen konstanten Wert. Je nach der Topologie und den Komponentenwerten des Wandlers kann sich das Verhältnis zwischen dem Ausgangsstrom des Wandlers und dem Spitzenstrom des Netzschalters in bedeutendem Umfang vergrößern, wenn sich die Ausgangsschaltung Kurzschlußzuständen annähert. Dies kann folglich zu einer Ausgangsstrom-Abwanderung bzw. -Drift führen. Darüber hinaus kann der Netzschalter nicht sofort auf Aus geschaltet werden, wenn sein Strom die vorgegebene Schwelle überschreitet. Die Abschaltverzögerung führt zu einer Strom-Überschwingung, die die Ausgangsstrom-Abwanderung verschlimmert.However, due to practical limitations, sensing the power switch current alone may not be sufficient to protect against overload. Under ideal conditions, the technique described above limits the peak current in the power switch to a constant value. Depending on the topology and component values of the converter, the ratio between the converter output current and the power switch peak current may increase significantly as the output circuit approaches short-circuit conditions. This may consequently lead to output current drift. In addition, the power switch cannot be turned off immediately when its current exceeds the specified threshold. The turn-off delay results in current overshoot, which exacerbates output current drift.
Die oben beschriebenen früheren Verfahren zur Lösung des Problems sind entweder sehr komplex oder sind von geringer Wirkung. Ein früher verwendetes Verfahren besteht beispielsweise darin, daß in der Ausgangsschaltung ein Nebenwiderstand (Shunt) zur Abtastung des Ausgangsstroms verwendet wird. Die Verwendung eines Nebenwiderstands ist zwar relativ einfach, führt jedoch zu unerwünschtem Leistungsverlust.The previous methods described above to solve the problem are either very complex or have little effect. For example, one previously used method is to Output circuit uses a shunt to sample the output current. Although using a shunt is relatively simple, it results in undesirable power loss.
Figur 1 zeigt eine im Dokument US-A-3768012 offenbarte herkömmliche Schaltung gemäß dem Stand der Technik zur Abtastung des Ausgangsstroms durch Verwendung einer Wechselspannungs-Kompensationsschaltung. Ein Kompensationsabzweigwandler (buck-derived converter) 10 ist mit einem Tiefpaßfilter gekoppelt, der einen Induktor 12 und einen Kondensator 16 aufweist, die in Serie geschaltet sind. Der Widerstand 14 stellt den internen Widerstand R des Induktors 12 dar. Der Induktor 18 ist mit einem Anschluß des Induktors 12 verbunden und weist dieselbe Anzahl von Wicklungen auf wie der Induktor 12. Die Wicklung des Induktors 18 verläuft jedoch in der zur Wicklung des Induktors 12 entgegengesetzten Richtung, so daß die durch den Induktor 12 induzierte Spannung durch die im Induktor 18 erzeugte Spannung kompensiert werden kann.Figure 1 shows a conventional prior art circuit disclosed in document US-A-3768012 for sensing the output current by using an AC compensation circuit. A buck-derived converter 10 is coupled to a low-pass filter comprising an inductor 12 and a capacitor 16 connected in series. Resistor 14 represents the internal resistance R of inductor 12. Inductor 18 is connected to one terminal of inductor 12 and has the same number of windings as inductor 12. However, the winding of inductor 18 runs in the opposite direction to the winding of inductor 12 so that the voltage induced by inductor 12 can be compensated by the voltage generated in inductor 18.
Um den vom Wandler 10 gelieferten Ausgangsstrom I&sub0; zu messen, ist es möglich, die am Punkt 20 befindliche Spannung abzutasten. Der Induktor 12 führt einen Strom mit einer Wechselspannungs- und einer Gleichspannungskomponente. Da der Induktor 18 die Wechselspannungskomponente kompensiert, ist die am Punkt 20 befindliche Spannung zumindest theoretisch eine zum Ausgangsstrom 10 und dem Widerstand 14 proportionale Gleichspannung, so daß gilt:To measure the output current I₀ delivered by the converter 10, it is possible to sample the voltage at point 20. The inductor 12 carries a current with an AC and a DC component. Since the inductor 18 compensates for the AC component, the voltage at point 20 is, at least theoretically, a DC voltage proportional to the output current 10 and the resistor 14, so that:
V&sub2;&sub0; = -R x I&sub0;V₂�0 = -R x I�0
Wie bereits erwähnt wurde, wird bei der in Figur 1 dargestellten Stromabtasttechnik eine zusätzliche Wicklung 18 benötigt und liefert möglicherweise keine genauen Informationen, da die Kompensation der Wechselspannungskomponente aufgrund von Wechselspannungs-Streufeldern eventuell nicht vollständig erfolgt.As previously mentioned, the current sensing technique shown in Figure 1 requires an additional winding 18 and may not provide accurate information since the compensation of the AC component due to AC stray fields may not be complete.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer verbesserten Schaltung, die im wesentlichen ideale Stromeigenschaften aufweist.There is therefore a need for an improved circuit that has essentially ideal current characteristics.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfache Schaltung zu schaffen, die einen effektiven Überlastschutz bietet.An object of the present invention is to provide a simple circuit that provides effective overload protection.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Überlast- oder Kurzschluß-Schutz zu schaffen, ohne daß eine Ausgangsstrom- Abwanderung auftritt.Another object of the present invention is to provide overload or short circuit protection without causing output current drift.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Schaltbetriebs- Leistungswandler geschaffen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Überlastschutzschaltung weiterhin eine Rückkopplungsschaltung mit einem Tiefpaßfilter aufweist, um die Gleichspannung am Induktor zu detektieren.According to the present invention, there is provided a switched-mode power converter characterized in that the overload protection circuit further comprises a feedback circuit with a low-pass filter for detecting the DC voltage at the inductor.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus ein Verfahren zur Schaffung eines Überlastschutzes in einem Schaltbetriebs-Leistungswandler geschaffen, bei dem mittels eines Tiefpaßfilters an einem Induktor, der mit einer Lastwiderstandsschaltung in Serie geschaltet ist, dem Strom vom Wandler zugeführt wird, eine Gleichspannung detektiert wird, um ein Umschalt-Steuersignal zu erzeugen und das Umschalten des Wandlers entsprechend der Umschaltungssteuerung zu steuern, um das Auftreten eines Überlast-Zustands zu verhindern.According to the present invention, there is further provided a method of providing overload protection in a switching mode power converter, in which a DC voltage is detected by means of a low-pass filter on an inductor connected in series with a load resistance circuit to which power is supplied from the converter, to generate a switching control signal and to control switching of the converter in accordance with the switching control to prevent the occurrence of an overload condition.
Die Gleichspannung, die sich am Induktor entwickelt, ist proportional zum Ausgangsstrom. Wenn die Temperatur des Induktors ansteigt, steigt darüber hinaus auch sein Widerstand an. Der Anstieg des inhärenten Widerstands des Induktors führt zu einer weiteren Veränderung der Gleichspannung, die sich am Induktor entwickelt und proportional zum Ausgangsstrom ist.The DC voltage developed across the inductor is proportional to the output current. In addition, as the temperature of the inductor increases, its resistance also increases. The increase in the inherent resistance of the inductor leads to a further change in the DC voltage developed across the inductor, which is proportional to the output current.
Vorzugsweise weist das Filter einen Widerstand und einen Kondensator auf.Preferably, the filter comprises a resistor and a capacitor.
Vorzugsweise weist ein Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung eine Referenzspannungsquelle auf, die mit dem Kondensator in Serie geschaltet ist.Preferably, a converter according to the present invention comprises a reference voltage source connected in series with the capacitor.
Die Rückkopplungsschaltung kann einen Fehlerverstärker aufweisen, der als Eingang einen Ausgang des Filters aufweist.The feedback circuit may comprise an error amplifier, which has an output of the filter as an input.
Das Steuersignal kann den Tastgrad (duty cycle) und/oder die Frequenz des Schaltkreises steuern.The control signal can control the duty cycle and/or the frequency of the circuit.
Vorzugsweise ist ein Glättungskondensator mit dem Lastkreis parallelgeschaltetPreferably, a smoothing capacitor is connected in parallel with the load circuit
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Steuersignal impulsbreitenmoduliert, die Rückkopplungsschaltung weist einen Impulsbreitenmodulator zur Erzeugung des impulsbreitenmodulierten Signals auf und der Schaltkreis umfaßt einen Transistor und einen Komparator, um den Schaltungsstrom des Transistors mit einem Referenzwert zu vergleichen, um ein Eingangsstrom-Fehlersignal zu liefern. Weiterhin weist der Schaltkreis ein UND- Glied auf, wobei die Eingänge des UND-Gliedes die Ausgänge des Impulsbreitenmodulators und des Komparators sind und der Ausgang des UND- Gliedes das Schalten des Transistors steuert.In a preferred embodiment, the control signal is pulse width modulated, the feedback circuit includes a pulse width modulator for generating the pulse width modulated signal, and the circuit includes a transistor and a comparator for comparing the circuit current of the transistor with a reference value to provide an input current error signal. The circuit further includes an AND gate, the inputs of the AND gate being the outputs of the pulse width modulator and the comparator, and the output of the AND gate controlling the switching of the transistor.
Die vorliegende Erfindung ist sowohl bei Kompensationsabzweigwandlern als auch bei isolierten Kompensationsverstärkungs- Abzweigwandlern (buck-boost derived converters) anwendbar.The present invention is applicable to both buck-boost derived converters and isolated buck-boost derived converters.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine effektive und effiziente Schaltung zur Stromverteilung zu einer gemeinsamen Last unter einer Mehrzahl von Leistungswandlern zu verteilen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Schaltung der Art zu schaffen, die darüber hinaus am Ausgang des Leistungswandlers anstelle eines Stromausgleichs für einen Belastungsausgleich sorgt.An object of the present invention is to provide an effective and efficient circuit for distributing current to a common load among a plurality of power converters. A further object is to provide a circuit of the type which further provides load balancing at the output of the power converter instead of current balancing.
Die vorliegende Erfindung betriffi eine Leistungsversorgungsschaltung, die eine Mehrzahl von Wandlern gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt, die angeordnet sind, um eine gemeinsame Last mit Strom zu versorgen, wobei jeder Wandler eine Verstärkereinrichtung zur Modifizierung des Steuersignals entsprechend dem Durchschnitt des Wandler-Ausgangsstroms aufweist, um den Betrieb der Wandler im Gleichgewicht zu halten, und sie betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Leistungsversorgungseinrichtung, die eine Mehrzahl von Schaltbetriebs-Leistungswandler aufweist, wobei das Verfahren die Durchführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf jeden Wandler umfaßt, wobei das Schalt-Steuersignal jedes Wandlers entsprechend der Differenz zwischen der jeweiligen detektierten Gleichspannung und dem Durchschnitt der in den Wandlern detektierten Gleichspannungen modifiziert wird.The present invention relates to a power supply circuit comprising a plurality of converters according to the present invention arranged to supply current to a common load, each converter comprising amplifier means for modifying the control signal corresponding to the average of the converter output current to keep the operation of the converters in balance, and it relates to a method of controlling a power supply having a plurality of switching mode power converters, the method comprising carrying out a method according to the present invention with respect to each converter, the switching control signal of each converter being modified according to the difference between the respective detected DC voltage and the average of the DC voltages detected in the converters.
Vorzugsweise umfassen die Eingänge jeder Verstärkereinrichtung den mittleren Knoten eines ersten jeweiligen Spannungsteilers, an den das Steuersignal angelegt wird, und den mittleren Knoten eines zweiten jeweiligen Spannungsteilers, wobei die mittleren Knoten jedes der zweiten Spannungsteiler miteinander gekoppelt sind.Preferably, the inputs of each amplifier means comprise the middle node of a first respective voltage divider to which the control signal is applied and the middle node of a second respective voltage divider, the middle nodes of each of the second voltage dividers being coupled together.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Tatsache, daß die meisten Schaltbetriebswandler in der Lage sind, bedeutende Ausgangs-Überströme über kurze Zeiträume aufrechtzuerhalten.The present invention is based on the fact that most switching mode converters are capable of sustaining significant output overcurrents for short periods of time.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 5 der beiliegenden Zeichnung beschrieben, in der:Embodiments of the present invention will now be described by way of example with reference to Figures 2 to 5 of the accompanying drawings, in which:
Figur 1 eine Schaltung gemäß dem Stand der Technik zur Abtastung des Ausgangsstroms unter Verwendung einer Wechselstrom- Kompensationsschaltung darstellt;Figure 1 illustrates a prior art circuit for sensing the output current using an AC compensation circuit;
Figur 2 ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für Kompensationsabzweigwandler ist;Figure 2 is a circuit diagram of an embodiment of the present invention for compensation branch converters;
Figur 3 ein Schaltungsdiagramm einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für Kompensationsverstärkungs-Abzweigwandler ist;Figure 3 is a circuit diagram of another embodiment of the present invention for compensation gain branch converters;
Figur 4 ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die sowohl eine Eingangs- als auch eine Ausgangs- Stromabtastung durchführt; undFigure 4 is a circuit diagram of an embodiment of the present invention that performs both input and output current sensing; and
Figur 5 ein Schaltungsdiagramm einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Teilen einer Last zwischen Schaltbetriebs- Leistungswandlern ist.Figure 5 is a circuit diagram of another embodiment of the present invention for sharing a load between switched mode power converters.
Es wird nun auf Figur 2 Bezug genommen. Ein Kompensationsabzweigwandler (buck derived converter) 30 ist mit einem Ausgangsfilter gekoppelt, der einen mit dem Kondensator 38 in Serie gekoppelten Induktor 34 aufweist. Der Induktor 34 weist auch einen Eigenwiderstand auf, der als mit dem Induktor 34 in Serie geschalteter Widerstand 36 dargestellt ist. Ein Lastwiderstand 40 ist mit dem Kondensator 38 parallelgeschaltet.Referring now to Figure 2, a buck derived converter 30 is coupled to an output filter having an inductor 34 coupled in series with capacitor 38. Inductor 34 also has an inherent resistance shown as a resistor 36 coupled in series with inductor 34. A load resistor 40 is coupled in parallel with capacitor 38.
Eine Filterschaltung, die den Widerstand 32 und den Kondensator 42 beinhaltet, ist mit einem Ausgangsanschluß des Wandlers 30 sowie einem Anschluß des Induktors 34 verbunden. Eine Referenzspannungsquelle 44 ist mit dem Kondensator 42 in Serie geschaltet. Der gemeinsame Anschluß zwischen dem Widerstand 32 und dem Kondensator 42 ist mit dem nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers 46 gekoppelt. Ein Impedanznetz, das die Impedanzen 48 und 50 aufweist, ist mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 46 verbunden, um ein Verstärkungsverhältnis zur Verfügung zu stellen.A filter circuit including resistor 32 and capacitor 42 is connected to an output terminal of converter 30 and to a terminal of inductor 34. A reference voltage source 44 is connected in series with capacitor 42. The common terminal between resistor 32 and capacitor 42 is coupled to the non-inverting input of an amplifier 46. An impedance network having impedances 48 and 50 is connected to the inverting input of amplifier 46 to provide a gain ratio.
Zur weiteren Steuerung des Schalttransistors des Wandlers ist der Ausgang des Verstärkers 46 ist mit dem Wandler 30 gekoppelt.To further control the switching transistor of the converter, the output of the amplifier 46 is coupled to the converter 30.
Die Wechselstromkomponente des Ausgangsstroms an der Ausgangsstufe des Wandlers wird daher von einem Tiefpaßfilter gefiltert, der den Widerstand 32 und den Kondensator 42 einschließt. Folglich ist die Spannung am Punkt 41 proportional zum Ausgangsstrom des Wandlers 30. Wie der Fachmann erkennen kann, resultiert die Filtration in einem Signal, das den tatsächlichen Ausgangsstrom verzögert. Bei vielen Anwendungen kann diese Verzögerung vernachlässigt werden.The AC component of the output current at the output stage of the converter is therefore filtered by a low pass filter including resistor 32 and capacitor 42. Consequently, the voltage at point 41 is proportional to the output current of converter 30. As one skilled in the art will appreciate, the filtration results in a signal that delays the actual output current. In many applications, this delay can be neglected.
Sobald die Spannung am Knoten 41 im wesentlichen gleich oder größer wird als die Referenzspannung Vref , wird am Ausgang des Verstärkers 46 ein Signal erzeugt. Das erzeugte Signal am Ausgang des Verstärkers 46 kann entweder die Betriebsfrequenz des Wandlers 50 oder dessen Tastgrad oder beides modulieren. Dies führt dazu, daß der Ausgangsstrom auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten werden kann.When the voltage at node 41 becomes substantially equal to or greater than the reference voltage Vref, a signal is produced at the output of amplifier 46. The signal produced at the output of amplifier 46 can modulate either the operating frequency of converter 50 or its duty cycle or both. This results in the output current being able to be maintained at a substantially constant value.
Figur 3 erläutert eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung für isolierte Kompensationsverstärkungs-Abzweigwandler (buck-boost converter). Der Eingangsbereich des Wandlers 60 ist dementsprechend mit der Primärwicklung 64 des Sperrtransformators 62 gekoppelt. Die Sekundärwicklung 66 des Sperrtransformators 62 weist eine Induktivität L und einen Eigenwiderstand R auf, der als Widerstand 68 dargestellt ist. Eine Diode 70 ist mit der Sekundärwicklung 66 in Reihe geschaltet. Der Kondensator 72 ist darüber hinaus mit der Diode 70 und der Sekundärwicklung 66 in Reihe geschaltet. Ein Lastwiderstand 86 ist mit dem Kondensator 72 parallelgeschaltet.Figure 3 illustrates another embodiment of the present invention for isolated buck-boost converters. The input portion of converter 60 is accordingly coupled to primary winding 64 of flyback transformer 62. Secondary winding 66 of flyback transformer 62 has an inductance L and an inherent resistance R, shown as resistor 68. Diode 70 is connected in series with secondary winding 66. Capacitor 72 is also connected in series with diode 70 and secondary winding 66. A load resistor 86 is connected in parallel with capacitor 72.
Eine Filterschaltung, die den Widerstand 74 und den Kondensator 76 aufweist, ist mit einem Anschluß der Sekundärwicklung 66 verbunden. Eine Referenzspannungsquelle 78 ist mit dem Kondensator 76 in Reihe gekoppelt. Der gemeinsame Anschluß zwischen dem Widerstand 74 und dem Kondensator 76 ist mit einem nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers 80 gekoppelt. Ein Impedanznetz, das die Impedanzen 82 und 84 aufweist, ist mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 80 gekoppelt, um ein Verstärkungsverhältnis zur Verfügung zu stellen.A filter circuit comprising resistor 74 and capacitor 76 is connected to one terminal of secondary winding 66. A reference voltage source 78 is coupled in series with capacitor 76. The common terminal between resistor 74 and capacitor 76 is coupled to a non-inverting input of an amplifier 80. An impedance network comprising impedances 82 and 84 is coupled to the inverting input of amplifier 80 to provide a gain ratio.
Der Ausgang des Verstärkers 80 ist zur weiteren Steuerung des Schalttransistors des Wandlers mit dem Eingangsbereich des Wandlers 60 gekoppelt.The output of amplifier 80 is coupled to the input portion of converter 60 for further control of the converter’s switching transistor.
Das Prinzip des Betriebs der Überlastschutzschaltung gemäß Figur 3 ist ähnlich dem in Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen Prinzip. Die Wechselspannung, die an der Sekundärwicklung 66 auftritt, wird daher von dem aus dem Widerstand 74 und dem Kondensator 76 bestehenden Tiefpaßfilter reduziert. Die Spannung am Punkt 75 weist einen Wert auf, der proportional zum Ausgangsstrom des Wandlers ist. Sobald die Spannung am Knoten 75 im wesentlichen gleich oder größer wird als die Referenzspannung 78, wird am Ausgang des Verstärkers 80 ein Signal erzeugt. Das erzeugte Signal am Ausgang des Verstärkers 46 kann entweder die Schalffrequenz des Wandlers oder dessen Tastgrad oder beides modulieren. Dies führt dazu, daß der Ausgangsstrom auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten werden kann.The principle of operation of the overload protection circuit according to Figure 3 is similar to that described in connection with Figure 2. The alternating voltage appearing at the secondary winding 66 is therefore reduced by a low pass filter consisting of resistor 74 and capacitor 76. The voltage at node 75 has a value proportional to the output current of the converter. When the voltage at node 75 becomes substantially equal to or greater than reference voltage 78, a signal is generated at the output of amplifier 80. The signal generated at the output of amplifier 46 can modulate either the converter's switching frequency or its duty cycle or both. This results in the output current being able to be maintained at a substantially constant value.
Wie der Fachmann erkennen kann, kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Spitzenstrom-Begrenzungsschaltung zur Abtastung des Wandler- Schaltstroms während der Zeit, die die Schaltung gemäß Figuren 2 und 3 zur Reaktion benötigt, als Überlastschutz verwendet werden.As will be appreciated by those skilled in the art, according to the present invention, a peak current limiting circuit for sensing the converter switching current during the time it takes for the circuit of Figures 2 and 3 to respond can be used as overload protection.
Figur 4 erläutert eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die sowohl eine Eingangs- als auch eine Ausgangsstrom-Abtastung aufweist. Die Eingangsspannungsquelle 100 führt der Primärwicklung 104 des Transformators 102 eine Eingangsspannung Vin zu. Die Primärwicklung 104 ist mit einem Schalttransistor 108 in Reihe gekoppelt. Der im Schalttransistor zur Verfügung gestellte Strom kann vom Widerstand 110 abgetastet werden, der mit dem Transistor 108 in Reihe geschaltet ist.Figure 4 illustrates another embodiment according to the present invention that has both input and output current sensing. The input voltage source 100 supplies an input voltage Vin to the primary winding 104 of the transformer 102. The primary winding 104 is coupled in series with a switching transistor 108. The current provided in the switching transistor can be sensed by the resistor 110, which is connected in series with the transistor 108.
Die Spannung am Widerstand 110 wird an den invertierenden Eingang des Verstärkers 142 angelegt. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 142 ist mit einer Referenzspannungsquelle 140 gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers 142 ist mit einem Anschluß eines UND-Gliedes 144 gekoppelt.The voltage across resistor 110 is applied to the inverting input of amplifier 142. The non-inverting input of amplifier 142 is coupled to a reference voltage source 140. The output of amplifier 142 is coupled to one terminal of an AND gate 144.
Die Sekundärwicklung 106 des Transformators 102 ist an ihrem einen Anschluß mit einer Diode 112 und an ihrem anderen Anschluß mit einer Diode 114 gekoppelt. Eine erste Filterschaltung, die den mit dem Kondensator 120 in Reihe gekoppelten Induktor 116 aufweist, ist mit dem Anschluß der Diode 114 und der Sekundärwicklung 106 gekoppelt. Der gemeinsame Anschluß der Dioden 112 und 114 ist mit dem anderen Ende der ersten Filterschaltung gekoppelt. Der Ohm'sche Widerstand des Induktors 116 ist als mit dem Induktor 116 in Reihe geschalteter Widerstand 118 dargestellt. Ein Lastwiderstand 112 ist mit dem Kondensator 120 parallelgeschaltet.The secondary winding 106 of the transformer 102 is coupled at one terminal to a diode 112 and at the other terminal to a diode 114. A first filter circuit comprising the inductor 116 coupled in series with the capacitor 120 is coupled to the terminal of the diode 114 and the secondary winding 106. The common terminal of the diodes 112 and 114 is coupled to the other end of the first filter circuit. The ohmic resistance of the inductor 116 is provided as a resistor connected in series with the inductor 116. resistor 118. A load resistor 112 is connected in parallel with the capacitor 120.
Eine zweite Filterschaltung, die den Widerstand 124 und den Kondensator 126 aufweist, ist mit einem Anschluß der Sekundärwicklung 106 und einem Anschluß des Induktors 116 verbunden. Eine Referenzspannungsquelle 128 ist mit dem Kondensator 126 in Reihe geschaltet. Der gemeinsame Anschluß zwischen dem Widerstand 124 und dem Kondensator 126 ist mit dem nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers 134 gekoppelt. Ein Impedanznetz, das die Impedanzen 130 und 132 aufweist, ist mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 134 gekoppelt, um ein Verstärkungsverhältnis zur Verfügung zu stellen.A second filter circuit comprising resistor 124 and capacitor 126 is connected to one terminal of secondary winding 106 and one terminal of inductor 116. A reference voltage source 128 is connected in series with capacitor 126. The common terminal between resistor 124 and capacitor 126 is coupled to the non-inverting input of an amplifier 134. An impedance network comprising impedances 130 and 132 is coupled to the inverting input of amplifier 134 to provide a gain ratio.
Der Ausgang des Verstärkers 134 ist mit einem invertierenden Eingang des Komparators 138 gekoppelt. Der nicht invertierende Eingang des Komparators 138 empfängt ein Sägezahnsignal von der Sägezahn-Erzeugungsvorrichtung 136. Der Ausgang des Komparators 138 stellt daher eine impulsbreitenmodulierte Spannung zur Verfügung. Der Ausgang des Komparators 138 ist mit dem anderen Anschluß des UND-Gliedes 144 gekoppelt. Der Ausgang des UND-Gliedes ist mit dem Eingang des Transistors 108 verbunden.The output of amplifier 134 is coupled to an inverting input of comparator 138. The non-inverting input of comparator 138 receives a sawtooth signal from sawtooth generator 136. The output of comparator 138 therefore provides a pulse width modulated voltage. The output of comparator 138 is coupled to the other terminal of AND gate 144. The output of the AND gate is connected to the input of transistor 108.
Dementsprechend schaltet sich der Transistor 108 immer dann aus, wenn der Eingangsstrom einen vorgegebenen Wert übersteigt oder wenn der Ausgangsstrom gemäß der vorliegenden Erfindung einen vorgegebenen Wert übersteigt. Folglich kann die in Figur 4 dargestellte Schaltung zum Überlastschutz während der Zeit, die die Ausgangsstrom-Abtastschaltung zur Reaktion benötigt, für eine Spitzenstrombegrenzung sorgen.Accordingly, transistor 108 turns off whenever the input current exceeds a predetermined value or whenever the output current exceeds a predetermined value in accordance with the present invention. Consequently, the overload protection circuit shown in Figure 4 can provide peak current limiting during the time it takes for the output current sensing circuit to respond.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die dazu geeignet ist, daß einem Lastwiderstand parallel zugeführte Leistung von einer Mehrzahl von Schaltbetriebs-Leistungswandlern geteilt wird. Der Lastwiderstand 170 gemäß Figur 5 kann sich daher zwei oder mehr Wandler 160, 160' usw. teilen.Figure 5 shows another embodiment according to the present invention which is suitable for power supplied in parallel to a load resistor to be shared by a plurality of switched mode power converters. The load resistor 170 according to Figure 5 can therefore be shared by two or more converters 160, 160' etc.
Die Wandler 160 und 160' können ähnlich aufgebaut sein. Die Schaltung 161 zur Abtastung von Strom an der Ausgangsstufe wird daher für einen Wandler beschrieben. Der Fachmann wird erkennen, daß eine Mehrzahl von Wandlern oder Stromversorgungseinrichtungen angeschlossen sein können, die der Schaltung 161 ähnelnde Schaltungen 192 und 194 aufweisen, um Strom an der Ausgangsstufe gemäß der vorliegenden Erfindung abzutasten, um für eine genaue Teilung der Stromversorgung zu sorgen.Converters 160 and 160' may be similarly constructed. Circuit 161 for sensing current at the output stage is therefore described for one converter. Those skilled in the art will recognize that a plurality of converters or power supplies may be connected having circuits 192 and 194 similar to circuit 161 for sensing current at the output stage in accordance with the present invention to provide accurate power supply division.
Dementsprechend ist ein Wandler 160 mit einer ersten Filterschaltung gekoppelt, die einen Induktor 164 und einen Kondensator 168 aufweist, die in Reihe geschaltet sind. Der Widerstand 166 bezeichnet den Eigenwiderstand des Induktors 164. Der Lastwiderstand 170 ist mit dem Kondensator 168 parallel geschaltet.Accordingly, a converter 160 is coupled to a first filter circuit having an inductor 164 and a capacitor 168 connected in series. The resistor 166 denotes the inherent resistance of the inductor 164. The load resistor 170 is connected in parallel with the capacitor 168.
Eine zweite Filterschaltung, die den Widerstand 162 und den Kondensator 172 aufweist, ist mit einem Ausgangsanschluß des Wandlers 160 und einem Anschluß des Induktors 164 verbunden. Ein Anschluß des Kondensators 172 ist mit dem Widerstand 162 gekoppelt, und der andere Anschluß des Kondensators 172 ist mit dem Bezugserdpotential der Schaltung gekoppelt. Die Spannung am Kondensator 172 wird über das Widerstand-Netz 174 und 176 an den invertierenden Eingang eines Verstärkers 173 angelegt. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 173 ist mit dem Bezugserdpotential gekoppelt. Die Widerstände 174 und 176 sorgen für das Verstärkungsverhältnis.A second filter circuit comprising resistor 162 and capacitor 172 is connected to an output terminal of converter 160 and to a terminal of inductor 164. One terminal of capacitor 172 is coupled to resistor 162 and the other terminal of capacitor 172 is coupled to the circuit ground reference. The voltage across capacitor 172 is applied through resistor network 174 and 176 to the inverting input of an amplifier 173. The non-inverting input of amplifier 173 is coupled to the ground reference. Resistors 174 and 176 provide the gain ratio.
Der Ausgang des Verstärkers 173 ist mit einem Ausgleichsnetzwerk gekoppelt, die vier Widerstände 178, 180, 182 und 184 aufweist, wobei jeder Widerstand den gleichen Wert R aufweist. Die Widerstand-Paare 178,180 und 182, 194 sind jeweils parallel geschaltet. Der gemeinsame Anschluß 179 der Widerstände 178 und 180 ist über ein Widerstandnetzwerk 186 und 188 mit dem invertierenden Anschluß eines Verstärkers 190 gekoppelt. Ebenso ist der gemeinsame Anschluß 183 der Widerstände 182 und 184 mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 190 gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers 190 ist zur weiteren Steuerung des Schalttransistors des Wandlers mit dem Wandler 160 gekoppelt. Der gemeinsame Anschluß 183 ist mit dem gemeinsamen Anschluß 183' verbunden.The output of the amplifier 173 is coupled to a balancing network comprising four resistors 178, 180, 182 and 184, each resistor having the same value R. The resistor pairs 178,180 and 182, 194 are each connected in parallel. The common terminal 179 of the resistors 178 and 180 is coupled to the inverting terminal of an amplifier 190 via a resistor network 186 and 188. Likewise, the common terminal 183 of the resistors 182 and 184 is coupled to the non-inverting input of the amplifier 190. The output of the amplifier 190 is connected to further control the switching transistor of the converter with coupled to the converter 160. The common terminal 183 is connected to the common terminal 183'.
Der Fachmann wird erkennen, daß eine Mehrzahl von Stromversorgungseinrichtungen, die die Strom-Abtastschaltung 192, 194, ... aufweisen, mit dem Lastwiderstand 170 gekoppelt sein können, wie in Figur 5 dargestellt ist.Those skilled in the art will recognize that a plurality of power supplies comprising the current sensing circuit 192, 194, ... may be coupled to the load resistor 170, as shown in Figure 5.
Die Wechselstromkomponente des Ausgangsstroms an der Ausgangsstufe jedes Wandlers wird daher mittels eines Tiefpaßfilters gefiltert, das den Widerstand 162 und den Kondensator 172 aufweist. Folglich ist die Spannung am Kondensator 172 proportional zum Ausgangsstrom des Wandlers. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 173 ist daher proportional zum Ausgangsstrom des Wandlers 160. Ebenso ist die Ausgangsspannung des Verstärkers 173' proportional zum Ausgangsstrom des Wandlers 160'.The AC component of the output current at the output stage of each converter is therefore filtered by a low pass filter comprising resistor 162 and capacitor 172. Consequently, the voltage across capacitor 172 is proportional to the output current of the converter. The output voltage of amplifier 173 is therefore proportional to the output current of converter 160. Likewise, the output voltage of amplifier 173' is proportional to the output current of converter 160'.
Die Spannung an den Widerständen 184 und 184' ist proportional zum Durchschnittswert des Stroms an den Ausgangsstufen der Wandler 160,160', ..., die miteinander parallel geschaltet sind.The voltage across resistors 184 and 184' is proportional to the average value of the current at the output stages of converters 160,160', ..., which are connected in parallel.
Der Strom an der Ausgangsstufe jedes Wandlers wird mit dem Durchschnittswert der Ströme an der Ausgangsstufe aller miteinander parallel geschalteter Wandler verglichen. Die Differenz zwischen dem Strom an der Ausgangsstufe jedes Wandlers und dem Durchschnittsstrom führt zu einem Signal am Ausgang jedes Verstärkers 190, 190', der entweder die Betriebsfrequenz jedes Wandlers oder dessen Tastgrad modulieren kann. Dies führt dazu, daß der Ausgangsstrom jedes Wandlers so angeglichen werden kann, daß er gleich dem Durchschnittswert der Ströme an der Ausgangsstufe aller miteinander parallel geschalteter Wandler ist. Ist die Kühlung eines der Wandler unzulänglich, steigt die Temperatur seines Induktors an, was zu einem Anstieg seines Wicklungswiderstandes führt. Da die Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung an den Induktoren einen gleichen Gleichspannungsabfall erzwingt, nimmt der Strom des heißeren Wandlers ab, so daß die Lastwiderstand-Verteilung unter den Wandlern eher dazu neigt, die Differenz der Belastungen, der die Wandler ausgesetzt sind, zu reduzieren als die Ströme anzugleichen, wie es im Stand der Technik vorgeschlagen wird.The current at the output stage of each converter is compared with the average of the currents at the output stage of all the converters connected in parallel. The difference between the current at the output stage of each converter and the average current results in a signal at the output of each amplifier 190, 190' which can modulate either the operating frequency of each converter or its duty cycle. This results in the output current of each converter being able to be adjusted to be equal to the average of the currents at the output stage of all the converters connected in parallel. If cooling of one of the converters is inadequate, the temperature of its inductor will rise, causing its winding resistance to rise. Since the circuit of the present invention forces an equal DC voltage drop across the inductors, the current of the hotter converter will decrease, so that the load resistance distribution among the converters will tend to compensate for the difference in the loads to which the converters are subjected. rather than adjusting the currents as proposed in the prior art.
Daher ermöglicht das Verfahren und das System gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise einen äußerst genauen und effizienten Überlastschutz sowie eine parallele Teilung der Leistungswandler. Bemerkenswerterweise ist die Erfindung, wie sie beschrieben wurde, in der Lage, durch die Ausnutzung eines an einem immer vorhandenen Filterinduktor bereits existierenden Spannungsabfalls für diesen Überlastschutz und diese Lastwiderstandteilung der Leistungswandler zu sorgen, wodurch die Notwendigkeit von Nebenschlußwiderständen oder anderer Strom-Abtastvorrichtungen vermieden wird.Therefore, the method and system according to the present invention advantageously enables extremely accurate and efficient overload protection and parallel division of the power converters. Remarkably, the invention as described is able to provide this overload protection and load resistance division of the power converters by exploiting a voltage drop already present across an always present filter inductor, thereby avoiding the need for shunt resistors or other current sensing devices.
Weitere Vorteile der Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen in niedrigeren Herstellungskosten und vor allem in einem geringeren Leistungsverlust.Further advantages of the circuit according to the present invention are lower manufacturing costs and, above all, lower power loss.
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